風力發電裝置及風力發電裝置組的制作方法

專利名稱：風力發電裝置及風力發電裝置組的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種將利用風的能量而產生的電力提供給電力系統的風
力發電裝置及由多個風力發電裝置構成的風電場(wind farm)。
背景技術：
在以下的專利文獻l中公開了一種風電場，在由多臺風力發電裝置構成的風力發電裝置組(風電場)中，在風電場中設定目標發電量，為了使構成風電場的各風力發電裝置的輸出電力的合計接近該目標發電量，而在風力發電裝置之間交換維修履歷數據及運轉特性數據等信息，決定風力發電裝置的運轉模式。在專利文獻2中記載了一種控制方法，艮卩利用
節距控制(pitch control)等來變更輸出變動大的風力發電裝置的功率曲
線的最大值，從而抑制輸出變動的控制方法。特開2002-349413號公報[專利文獻2]特開2001-234845號公報
以往，如專利文獻1及專利文獻2中的記載，研究了或者調整風電場內的運轉臺數，或者限制功率曲線的最大值變小來緩和輸出變動。在限制功率曲線的最大值的方法中，變動能夠一定程度緩和，但是在風速急劇降低時，發電輸出降低，所以發生變動，有可能在連接該電力系統的電源(如，火力發電站或原子能發電站等)、負載(消費者)中產生電壓變動及頻率變動等的壞影響。

發明內容
本發明的目的在于抑制從風電場向電力系統輸出的電力的變動，且在盡可能長的時間內維持一定的輸出。
在由一臺以上的風力發電裝置構成、將風力發電裝置的發電電力向電力系統輸出的風力發電裝置組中，利用比相對于平均風速而得到的可能發電電力PW小的發電電力指令值PM，并且不論風速變動如何，都使發電電力指令值PM—定，從而能夠達成上述的本發明的目的。
另外，使風力發電裝置的輸出一定時，在旋轉速度達到能運轉的上限值、下限值時，通過變更發電電力指令值PM，能夠達成本發明的目的。
另外，在可能發電電力PW降低時，通過提高轉速，蓄積旋轉能量，能夠達成本發明的目的。(發明效果)
根據本發明，能夠長時間地維持風力發電裝置的輸出一定，能夠抑制向電力系統輸出的電力的變動。


圖1是表示電力系統及風力發電裝置的電路構成的說明圖。
圖2是表示風力發電裝置的構成例的說明圖。
圖3是表示風力發電裝置的構成例的說明圖。
圖4是表示本發明的風力發電裝置的發電指令作成方法的說明圖。
圖5是表示以前的風力發電裝置的發電指令作成方法的說明圖。
圖6是說明轉速的電力指令值的關系的圖。
圖7是實施例2中的葉片角度控制器的構成圖。
圖8是表示實施例2中的構成例的說明圖。
圖9是說明交流勵磁型發電機用的電力變換器的構成的圖。
圖IO是說明同步機型發電機用的電力變換器的構成的圖。
圖11是表示在實施例4中的電力指令變更方法的說明圖。
圖12是表示在實施例4中的構成例的說明圖。
符號說明
100 —風力發電設備組，101 —變壓器，102—控制裝置，103 —通信線，104 —風力發電設備，105 —送電線，104-01 —發電機(交流勵磁型)，104-02一葉片及葉片角度變更裝置，104-03 —風車控制裝置，104-04_電力變換器，104-05 —控制裝置，104-06 —斷路器，104-07 —聯系用變壓器，200一電力系統，304-01_發電機(同步機)，304-04_同步機用電力變換器，304-05 —同步機用電力變換器的控制裝置，700—速度指令修正器，PW—可能發電電力，Umn—平均風速，U—風速，PM—發電電力指令值，PMAX—發電電力指令最大值，OMG0—轉速目標值，OMGref—修正后旋轉速度指令，OMG—轉速檢測值，Pitch* —葉片角度指令值。
具體實施例方式
以下，分為兩個實施例，詳細說明本發明的實施方式。實施例1
圖l是表示本發明的一個實施例的裝置構成的單線圖。電力系統200包括發電設備、工廠、家庭等負載。風力發電設備組100利用變壓器101連接電力系統200。
風力發電設備組100由一臺以上的風力發電設備104構成。各風力發電設備經由送電線105及變壓器101而連接電力系統。
風力發電設備組IOO具有控制用的控制裝置102。控制裝置102用通信線103與各風力發電設備104連接，收發用于控制的信號。
其次，利用圖2構成風力發電設備104。風力發電設備104的發電電力POUT如前述供給于電力系統200。風力發電設備104在發電機104-01的軸上具有接收風而旋轉的葉片104-02。風力發電機104-01的定子及轉子連接電力變換器104-04。電力變換器104-04具有調節發電機的電流并調節輸出于電力系統的電力POUT的功能。發電電力POUT經由斷路器104-06及聯系用變壓器104-07輸出到電力系統。如圖9所示，電力變換器104-04由連接兩臺變換器CNV的直流部的交流交流變換器構成， 一個變換器連接發電機轉子， 一個變換器與系統和定子(經由斷路器)連接。另外，輸出各部的電流、電壓檢測值FB。
電力變換器104-04的控制裝置104-05按照發電電力指令值PM來控制輸出于電力系統的電力POUT。因此，電力POUT追隨發電電力指令值PM。另外，控制裝置104-05還接收無效電力的指令Qref和運轉停止指令Run等，與發電電力POUT同樣也控制輸出于系統的無效電力QOUT。為了控制電力，控制裝置104-05從電力變換器104-04輸入利用傳感器檢測出的電流和電壓等的值的檢測值FB。
另外，控制裝置104-05還具有按照運轉停止指令Run而進行發電運轉的停止或啟動的功能。
風力發電設備104的風車控制裝置104-03從控制裝置102接收輸出一定指令CP。在接收了輸出一定指令CP的情況下，風車控制裝置104-03從通常的發電運轉變換到控制發電輸出POUT —定的模式。另外，風車控制裝置104-03輸入風速U，將由風速U的平均值Unm求出的可能發電電力PW發送到控制裝置102。
另夕卜，風車控制裝置104-03向控制裝置104-05發送發電電力指令值PM、無效電力指令值Qref、運轉停止指令值，發送葉片104-02的葉片角度指令值Pitch、葉片104-02具備變更葉片角度的機構，按照葉片角度指令值PitcC來變更角度。
在本圖中，以交流勵磁型發電機為例說明了構成，但是在如圖3及圖10所示的同步發電機型的風力發電系統中也有同樣的效果。
其次，利用圖4、圖5、圖6，對于風車控制裝置104-03進行說明。圖4的曲線圖示出用于根據被輸入于風車控制裝置104-03的風速U的平均風速Umn算出可能發電電力PW的特性曲線(功率曲線)PC。 Umn通過將被輸入的風速U進行如一分鐘平均等來計算平均風速Umn。根據計算出的平均風速Umn與特性曲線PC的交點，能夠求出可能發電電力PW。
<formula>formula see original document page 7</formula>發送于電力變換器的控制裝置104-05的發電電力指令值PM，如將由上述平均風速Umn求出的某個時刻中的可能發電電力PW放大K倍的方式來算出。<formula>formula see original document page 7</formula>
或者，也可以K倍平均風速Umn而求出。此時的發電電力指令值PM，
如旋轉速度達到能夠運轉的下限時再次變更。
由此，根據比由風速求出的發電電力PW小的發電電力指令值PM來
控制電力變換器，從而控制發電電力，由此能夠使由風速變動引起的發電電力的變動變無，能夠實現一定電力輸出。圖5示出變更原來的輸出限制的例子，在原來的方式中變更功率曲線的上限值。雖然在該方式中，在風速上升時發電電力的變動被抑制了，但是因為當風速減小時發電電力減小，所以成為輸出變動。
圖6是說明本發明的發電電力指令值PM的決定方法的圖。在本發明中，因為維持發電電力指令值PM—定，所以發電機的速度變動變大。
圖6左圖是表示平均風速Umn和轉速目標值OMG的特性曲線，另外，右圖示出轉速檢測值和發電電力指令值PM的關系。因為風速變動，所以根據由葉片接收的能量和在系統中發電的能量的差轉速變化。該速度為了成為風速和轉速的特性曲線而變更葉片的角度從而調節由葉片接收的能量。通過短時間的風速變動，雖然速度變動，但是進行控制，以使通過葉片角度的調節，速度收納于規定的范圍內(轉速目標值OMG0附近)。此時，如圖6的左圖所示，旋轉速度的轉速目標值OMG0設定為風速降低時變高。
另外，如右圖所示，直到旋轉速度達到上限或下限控制發電電力指令值PM不變。直到旋轉速度達到上限或下限能夠控制發電電力指令值PM不變。在轉速達到上限或下限的情況下，控制發電電力指令值PM使速度變化變小，即達到上限時使發電電力指令值PM增加，達到下限時使發電電力指令值PM減小。
由此，基于本發明，利用比相對于風速得到的發電電量小的發電電力指令值PM，并且通過不論風速變動如何，都使發電電力指令值PM—定，能夠使風力發電裝置的輸出一定。
另外，風力發電裝置的輸出一定時，旋轉速度達到能運轉的上限值、下限值時，通過變更發電電力指令值PM，能夠防止風力發電裝置的停止。
另外，平均風速Umn降低時，通過提高轉速，能夠蓄積旋轉能量，所以能夠提供一種難以發生由進一步維持發電電力POUT —定時的速度降低引起的運轉停止的風力發電裝置。實施例2
其次，利用圖7對于其他的實施例進行說明。圖7是說明風車控制裝置104-03的葉片角度指令值作成方法的圖。如在圖6中的說明，由平均風速Umn作成轉速目標值OMG0。在可能發電電力PW降低時，轉速指令修正器提高轉速目標值OMG0。如，在發電電力指令值PM的上側(+a)，設定判定級別(PM+a)，在可能發電電力PW降低到上述判定級別(PM+a)以下時，提高轉速目標值OMG0，將OMG0+A作為修正后的轉速目標值而作成節距角指令值。在本圖中，示出了為了節距角控制，將修正后轉速指令值OMGref和轉速檢測值OMG作為反饋值的比例積分器的葉片角度指令值Pitch 乍成方法。
由此，通過在可能發電電力PW降低時提高轉速，能夠蓄積旋轉能量，所以能夠提供一種難以發生由進一步維持發電電力POUT —定時的速度降低引起的運轉停止的風力發電裝置。
其次，關于圖1中示出的控制裝置102利用圖8進行說明。控制裝置102接收來自各風力發電設備104的可能發電電力PW，計算其總和Pwsum。
(數3)
PWsum=PWl+PW2……PWN(1、 2、 ......、 N表示各風力發電
設備)
與在實施例1的圖4中說明的同樣，作成比總和PWsum小的電力指令值P F 。控制裝置102以與在實施例1的圖4中說明的同樣的方法，根據各風力發電裝置的發電量PW1、 PW2、……、PWN，將各電力指令值
PFl (<PW1)、 PF2 (<PW2)、 ......、 PFN (<PWN)發送給各風力發
電設備104。
在由總和PWsum計算電力指令值PF1……PFN時，利用風速的預測等，當預測風速今后變弱時設定電力指令值PF1……PFN變小，當預測風速今后變強時設定電力指令值PF1……PFN變高，從而也能將使輸出一定。
由此，以由控制裝置102分配指令值的方式，能夠具有使風力發電設
備組輸出的電力一定的功能。
其次，利用圖ll及圖12對于其他的實施例進行說明。
首先，關于圖12進行說明。在本實施例中，控制裝置104-05通過電
壓的零交叉(cross)等的方法來檢測系統的頻率Freq，將該值Freq傳
送到風車控制裝置104-03。
如圖11所示，在風車控制裝置104-03中，在頻率Freq上升時，在電力系統的發電設備和負載之間的電力供給量中，判斷為發電量過剩，使
發電電力指令值PM降低。另外，相反地，風車控制裝置104-03具有在頻率Freq降低時，在電力系統的發電設備和負載之間的電力供給量中，判斷為發電量不足，使發電電力指令值PM上升的功能。
這里，關于利用風車控制裝置104-03來變更發電電力指令值PM的方法進行了敘述，但是如在實施例3說明的，也可以利用控制裝置102對風力發電裝置組分配指令值。
由此，以由系統頻率來調節風力發電裝置的發電電力的方式，能夠具有有助于電力系統的穩定化的功能。
今后，因為考慮當風力發電裝置的導入量增加時則電力系統的電力變動成為問題，所以為了抑制輸出電力的變動，蓄電裝置等的變動補償裝置能夠預測有必要用于電力系統的穩定化。因此，盡量使風力發電裝置的輸出變動變無，從而降低變動補償裝置的成本是為了使風力發電裝置的導入量今后增加而不可避免的重要課題。因此，達成該課題的本發明在風力發電的領域中是具有非常大的意義的發明。
產業上的利用可能性
基于本發明，通過利用比相對于風速得到的發電電量小的發電電力指令值PM，并且不論風速變動如何，都使發電電力指令值PM—定，能夠使風力發電裝置的輸出一定。這并不限定于風力，利用自然能量的裝置，如光伏系統、波力/潮力發電系統等也能夠適用。
權利要求
1.一種風力發電裝置，具備，用于調節輸出給電力系統的電力的變換裝置，和將根據風速決定的發電電力指令值(PM)發送給所述變換裝置的發電控制裝置，所述變換裝置按照發電電力指令值對所述風力發電裝置向電力系統發電的電力進行控制，其中，所述發電控制裝置將比根據所述風速決定的可能發電電力(PW)小的規定時間內保持一定的發電電力指令值(PM)發送給所述變換裝置，所述發電控制裝置具備使所述發電電力指令值(PM)與葉片由風接收的能量大致相等，將風車的轉速維持在規定值的葉片角度控制裝置，所述變換裝置具備保持所述發電電力指令值(PM)直到轉速達到下限值附近或上限值附近的有效電力控制裝置。
2. 根據權利要求l所述的風力發電裝置，其特征在于， 所述葉片角度控制裝置在所述可能發電電力(PW)降低時，使所述葉片的轉速上升。
3. 根據權利要求l所述的風力發電裝置，其特征在于， 具備在所述風速的平均值降低時變更所述規定時間內保持一定的發電電力指令值(PM)的機構。
4. 根據權利要求1所述的風力發電裝置，其特征在于， 具備利用風速預測值來變更所述發電電力指令值(PM)的機構。
5. 根據權利要求l所述的風力發電裝置，其特征在于，具備檢測連接風力發電裝置的電力系統的頻率的檢測機構；和調整 機構，在頻率的檢測值中具有上限值和下限值，當所檢測出的頻率超過所 述上限值時，所述調整機構使所述發電電力指令值(PM)降低，當所述 所檢測出的頻率低于所述下限值時，所述調整機構使所述發電電力指令值 (PM)增加。
6. —種風力發電裝置組，具備多臺權利要求1至5中任意一項所述的 風力發電裝置，構成與電力系統的同一線路連接的風電場，所述風力發電 裝置組具備用于控制所述風電場輸出到電力系統的發電電力在規定值的 場控制裝置，場控制裝置，輸入場內的各風力發電裝置的可能發電電力(PW)，將 場輸出電力指令值PF設定為比所述發電電力指令值(PM)的總和小的值，場控制裝置具備用于將所述場輸出電力指令PF分配給各風力發電裝 置的電力指令分配機構。
全文摘要
本發明提供一種風力發電裝置及風力發電裝置組。在由一臺以上的風力發電裝置構成、將風力發電裝置的發電電力向電力系統輸出的風力發電裝置組中，具備利用比相對于風速而得到的可能發電電力(PW)小的發電電力指令值(PM)，并且不論風速變動如何，都使發電電力指令值(PM)一定的機構。據此解決以下的課題，即隨著風力發電裝置導入的推進，對于電力系統的電源(如火力發電站等)和負載，風力發電系統輸出發電電力時，給予電力系統的電源的影響變大的問題。
文檔編號H02P9/00GK101604947SQ20091014066
公開日2009年12月16日 申請日期2009年6月12日 優先權日2008年6月12日
發明者一瀨雅哉, 中山靖章, 二見基生, 內山倫行, 松竹貢, 近藤真一 申請人:株式會社日立制作所